利用故障树分析航海雷达故障

郑友赋

(福建船政交通职业学院船政学院，福建 福州 350007)

航海雷达是船舶上必备的导航设备，用于船舶避让、船舶定位、狭水道引航等，在能见度不良的情况下，是航海人员进行观测的工具。航海雷达是一种电磁传感器，能对反射性物体进行检测和定位［1］。现代航海雷达自动化与集成化程度很高，一旦出现故障，如果不及时诊断和处理，不仅影响船舶正常航行，甚至可能危及船舶的安全，从而造成巨大的经济损失。因此，对于航海雷达故障的快速准确判断及处理十分重要。

在工程与生产实际过程中，应用故障树分析法可以快速地找到故障的主要原因 (顶事件)，从而及时提出处理方案，并排除故障。本文采用故障树分析法对航海雷达的典型故障进行分解与分析，目的是提高航海雷达故障诊断的准确性与效率。

1 故障树分析的基本理论

故障树建模是建立一个基于被测对象的模型，以故障系统的最终故障事件为顶层事件，以可能造成顶层事件发生故障的其它事件为中间事件和底层事件，采用倒立树状结构形式表达各种事件之间的关系。通过计算故障树顶层事件发生概率，故障树各个最小割集的发生概率及最小割集重要度，并给出定量分析，从而大大减小诊断难度，同时也使故障原因搜索时的一次命中率大为提高［2］。

2 航海雷达故障树分析

雷达故障诊断的本质是故障关系的处理，故障关系处理的本质就是故障树分析法。诊断过程是从系统的顶事件开始，通过寻找出现顶层事件的原因而逐级建立一棵倒立的故障树。通过对故障树的提问式搜索会找到故障的最终原因。在这棵倒立的故障树中，一个顶层事件可能与多个底层事件相对应，顶层事件和底层事件之间还有一些中间事件，中间事件是底层事件的结果，也是顶层事件的原因。但每个底层事件对顶层事件的影响是不同的，也就是不同的底层事件具有不一样的重要度［3］。

2.1 诊断对象的分解

为了更好的分析航海雷达的系统故障，必须对航海雷达进行系统分解。把它分解为若干个相对独立的子系统，以便更好地分析故障，建立故障树。对诊断对象分解的方法有3种［4］:结构分解法，对系统的物理结构进行分解，这种分解法可以直达最低层的零部件;功能分解法，对系统的功能进行分解，这种分解法可以了解系统的基本功能;故障分解法，对诊断对象的故障进行分解，这种分解法可获得最具体的故障。

对航海雷达故障诊断分析常用结构分解和故障分解相结合的方法，并通常将航海雷达系统划分为表1 所示［5］的5 类。

表1 航海雷达系统分类

表1中各子系统的功能如下:①天线子系统:雷达天线是一种方向性很强的天线。它把发射机经波导馈线送来的发射脉冲的能量聚成细束朝一个方向发射出去，同时，也只接收从该方向的物标反射的回波，并再经波导馈线送入发射机。②发射机子系统:发射机在触发脉冲的作用下产生大功率及超高频脉冲信号，即发射脉冲 (或称射频脉冲)。射频脉冲应能满足在最大作用距离上探测有效物标所需要的峰值和平均功率，以及合适和稳定的波形。射频脉冲经波导馈线送入天线向外发射。③接收机子系统:雷达中的接收机均采用超外差式接收机。它把回波信号先进行变频，变成中频回波信号，然后再放大、检波、再放大，变成显示器可以显示的视频回波信号。为了改善接收机的性能，提高雷达的探测能力，现代航海雷达普遍采用了一些其他辅助电路。由于从天线送来的回波信号十分微弱，一般仅有几微伏，而显示器显示需要约几十伏，而且应是视频信号，因此，必须将回波信号放大近百万倍才行。④显示器子系统:船用雷达的显示器是一种平面位置显示器。显示器根据接收机送来的回波信号、天线送来的方位信号将物标回波显示在物标所在的方位和距离上。显示器还配有测量物标方位、距离的装置，以测量物标的方位和距离。⑤电源子系统:电源子系统的作用是把各种船电变换成雷达所需的具有一定频率、功率和电压的专用电源。雷达考虑了各种因素均采用中频电源供电，频率一般在400～2000 Hz之间。现代雷达电源普遍采用逆变器，也有直接用船电的。

2.2 故障获取方法

获得航海雷达故障发生的原因和故障层次是航海雷达故障树分析和建立故障知识库的基础。航海雷达在日常工作过程中，由于缺乏维护、维护不当、违规使用或出现突发因素，可能出现各种故障。因此，必须及时而准确地掌握故障现象，为分析原因和排除故障提供充分的客观材料和依据。正确分析故障现象的原因，是及时排除故障的基础和关键因素。

故障现象虽然有不同的表现，但某一特定的故障现象一定是在特定的工作环境下的表现。不同的工作环境，故障都会有不同的表现。这些故障现象一般通过听、观察、触摸或测试点检测的方法可以获得。概括起来有以下几点:①运行异常，如天线不旋转、天线转速不均匀、发射机不发射;②声音异常，如天线旋转时发出摩擦声、雷达机内出现打火声、电源声音过大;③温度异常，如波导管发热、发射机过热、电源过热;④外观异常，如波导管变形;⑤测试点电压/电流值异常，如磁控管电流过大/过小/不稳定等。

以上几种故障现象，往往相互联系，或作为某种故障现象同时出现。因此，只要条件允许，应该运用多种手段，尽可能多方面的弄清楚故障现象，以便及时而准确地判断故障发生的原因。

2.3 航海雷达典型故障分析

以雷达发射机故障为实例。若雷达发射机出现故障，则造成的直接后果是无射频脉冲，其典型故障现象为:天线系统正常 (天线正常匀速旋转)，增益调节功能正常 (增大增益有噪声斑点出现)，活动/固定距标显示正常，电子方位线显示正常，符号显示正常等，但雷达荧光屏上无物标回波。

通过分析以上故障现象，可以判定故障应该出现在发射机子系统。将发射机无发射脉冲故障设为结果故障事件，即顶事件。发射机无发射脉冲故障产生的原因有很多，但都出现在射频脉冲通道。以下设定3种故障原因，来分析发射机无发射脉冲故障。

1)磁控管不工作。磁控管正常工作的条件有:灯丝电源 (低压电源)、特高压调制脉冲和磁控管本身正常。因此，磁控管不工作的原因有以下3方面:①灯丝电源/低压电源故障;②磁控管阴极上无特高压调制脉冲;③磁控管本身损坏。前2项是磁控管的外部工作条件。检查方法也比较方便:检查灯丝电源时，可先关高压，然后在磁控管灯丝引线处检查电压是否符合要求。

2)无高压调制脉冲说明调制器不工作。同样可以从外部条件及本身来检查。若外部条件完好，则可怀疑是调制管损坏。脉冲调制器工作的外部条件是:①有直流高压;②有与调制脉冲或触发脉冲;③储能元件完好;④有调制管其他各极偏置电压。

3)无触发脉冲。触发脉冲的重复频率在500～2000 Hz之间，属于音频范围，可用接有耐压较高、电容量为0.05 μF左右的电容的耳机测听。如触发脉冲电路有故障，可先用这样的耳机逐级检测，找出所在部位后，再用常规方法查出具体的故障所在。

2.4 顶事件故障分析

航海雷达故障树顶事件如表2所示。

表2 航海雷达故障树顶事件

2.5 最小割集确定与分析

以“发射机无发射脉冲”作为示例，求出故障树的最小割集。

由图1可得:a=b+c+d=e·f·g+h·i·j·k+l所以，顶事件的最小割集是 {e，f，g}，{h，i，j，k}，{l}。

按照求出的顶事件，求解出发射机无发射脉冲故障树的定性重要度，{l}是一阶最小割集，具有最高重要度。其次是三阶最小割集 {e，f，g}。一个四阶最小割集 {h，i，j，k}。

对照故障树，可以求出故障树的定性重要度。

图1 发射机无发射脉冲故障树

3 结语

航海雷达的故障原因主要有:元件故障、设计缺陷、制造工艺缺陷、使用维护不当、环境因素影响等。对航海雷达故障来说，主要的故障分析集中在“电源故障”、“无发射脉冲”等故障上。

本文的论述基于原始资料分析，并利用故障树理论分析航海雷达故障，建立航海雷达故障诊断的方法。工程人员可以根据实际出现的故障现象，建立故障树，有目的的分析故障现象，进而得出诊断及维修方法。该方法能有效的提高雷达的故障诊断效率，具有较大的实际应用价值。

［1］Merrill I.Stolnik.雷达手册 ［M］.2版.北京:电子工业出版社，2003.

［2］朱大奇，于盛林.基于故障树最小割集的故障诊断方法研究［J］.数据采集与处理，2002，17(3):341－344.

［3］谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用［M］.武汉:华中理工大学出版社，2000.

［4］朱继洲.故障树原理和应用［M］.西安:西安交通大学出版社，1989.

［5］王世远.航海雷达与ARPA［M］.大连:大连海事大学出版社，1998.